Диссертация (1145326), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Отжиг с температурой более 420◦ C (диапазон 420 - 520◦ C) приводит к резкому падению удельного сопротивления, холловского сопротивления и магнитосопротивления на два - три порядка. Приэтом наблюдался рост намагниченности на 20 %. Зависимость удельного сопротивленияот температуры приобрела металлический характер. С ростом температуры отжига обнаружено исчезновение малых гранул FeNi и увеличение среднего размера гранул от 3 до6 nm.Эффект Холла в гранулированных пленках SiO2 (Fe) исследовался в [88,167,168]. Средний размер гранул был меньше 5 nm. Толщины пленок лежали в диапазоне 0.2 - 0.8 µm.Было найдено, что зависимости холловских сопротивлений от магнитного поля пропорци55Рис.
1.18: Зависимости холловского сопротивления от магнитного поля для образцов с диэлектрическим (кривые 1-3, энергия активации w = 1.69 meV) и металлическим (кривая3’, x = 0.7) характером проводимости при различных температурах, K: 1 - 100; 2 - 120;3, 3’ - 300.
На вставке – параметрическая зависимость холловского сопротивления от продольного сопротивления диэлектрических образцов в интервале температур 77-300 K [88].ональны намагниченности, что характерно для аномального эффекта Холла (Рис. 1.18).При больших магнитных полях полевые зависимости эффекта Холла испытывают насыщение для образцов, как находящихся в диэлектрической фазе, так и находящихся в металлическом состоянии. По мнению авторов, сходство полевой зависимости эффекта Холла с кривой намагниченности, описываемой функцией Ланжевена, указывает на то, чтоза эффект Холла ответственно спин-орбитальное взаимодействие. Величина холловскихсопротивлений выше для образцов, находящихся в диэлектрической фазе (50 vol.% Fe),по сравнению с холловскими сопротивлениями образцов с металлической проводимостью(70 vol.% Fe). Обнаруженные особенности эффекта Холла, по-видимому, связаны с непрямым спин-зависимым туннелированием электронов через промежуточные состояния в диэлектрике и существенной ролью кластерных образований.
В [168] отмечается, что аномальный эффект Холла может возникать за счет интерференции амплитуд туннельныхпереходов в совокупности из трех гранул. В настоящее время законченная теория эффектаХолла в гранулированных структурах отсутствует.Таким образом, подводя итог литературному обзору, посвященному спин-зависимомуэлектронному транспорту в гранулированных структурах с ферромагнитными наночасти56цами, можно придти к выводу, что теория спин-зависимого транспорта в этих структурахдолжна быть существенно изменена. Наличие эффекта положительного магнитосопротивления [88, 321] и изменения величины отрицательного магнитосопротивления под действием сильного электрического поля [170] говорят о необходимости учета введенных вглаве 4 кластерных электронных состояний (КЭС), которые могут быть образованы нагруппе частиц.
Для объяснения особенностей зависимостей отрицательного MR от магнитного поля [87] и влияния отжига на MR [326] нужно учесть локализованные электронные состояния, которые образуются на дефектах и примесях аморфной матрицы. Спинзависимый электронный транспорт осуществляется посредством неупругого резонансноготуннелирования через цепочку этих локализованных состояний между гранулами. Теоретическая модель спин-зависимого электронного транспорта с учетом КЭС и локализованных состояний в матрице и объяснение экспериментальных зависимостей будут рассмотрены в разделах 6.2.1, 6.2.2 и 6.2.3. Из работ, посвященных аномальному эффектуХолла [88, 326], следует, что в модели спин-зависимого электронного транспорта необходим учет спин-орбитального взаимодействия.
Рассмотрение этого взаимодействия междуКЭС и d-системой, которое позволяет объяснить эффект положительного MR, будет произведено в разделе 6.2.4.1.5.2Магнитосопротивление гетероструктур гранулированнаяпленка / полупроводникНелинейные свойства вольт-амперной характеристики полупроводника, связанные сразвитием лавинного процесса, при некоторых условиях чрезвычайно чувствительны квнешнему магнитному полю, что может быть использовано для создания структур с высокой величиной магнитосопротивления и манипулирования спинами, необходимого дляориентации и инжекции спин-поляризованных носителей. Лавинный процесс наступаеттогда, когда напряжение, прикладываемое к полупроводнику, превышает некоторое пороговое значение и в полупроводнике начинается процесс ударной ионизации. Эффект ударной ионизации наблюдался на многих полупроводниких: n-GaAs, Si, p-Ge и др.
В n-GaAsпри ударной ионизации при низких температурах (4.2 K) происходит ионизация мелкихпримесей [327–330]. При этом наблюдается разделение протекающего по полупроводникутока на каналы (current filament) (Рис. 1.19). При изменении приложенного напряженияпроисходит рождение и исчезновение каналов тока, что сопровождается гистерезисом искачками тока на вольт-амперной кривой. Минимальный размер сечения каналов – 10 µm.Количество каналов тока и их сечения растут с ростом напряжения. Скачки тока на вольтамперной зависимости, вызываемыми рождением и исчезновением каналов, наблюдалисьтакже в n-GaAs при комнатной температуре [331].
Время образования каналов зависитот количества примесей, неоднородностей структуры и геометрии образца и для иссле57дованных образцов лежит в диапазоне 100 - 600 ns [334, 335]. Рождение и уничтожениеканалов определяют сложную динамику: при увеличении напряжения возникают автомодуляционные колебания, бифуркации и переход к хаосу [332, 333]. Действие магнитногополя проявляется в подавлении образования токовых каналов, изменении их формы идинамики.
В [336] в n-GaAs при 4.2 K наблюдались особенности магнитосопротивления,связанные с образованием каналов и их поперечными сдвигами под действием магнитногополя. Движение каналов в магнитном поле, вызванное силой Лоренца, исследовалось вp-Ge при 4.2 K [337]. В [285] исследовалось действие магнитного поля на вольт-амперныехарактеристики и магнитосопротивление в n-GaAs при 4.2 K до и после начала ударнойионизации.
Обнаружено, что в случае, когда магнитное поле H перпендикулярно токуI, вольт-амперные зависимости I − V не имеют гистерезиса и, напротив, гистерезис наблюдается при HkI. С увеличением H происходит сдвиг порога нелинейности в сторонубольших напряжений V . При H⊥I наблюдаются бо́льшие величины магнитосопротивления по сравнению со случаем HkI как до, так и после порога нелинейности.
Изменениячастоты автоосцилляций и сценариев перехода к хаосу под действием магнитного полянаблюдались на n-GaAs и p-Ge при низких температурах (Рис. 1.20) [338–342].Природа магнитосопротивления в полупроводниках при низких температурах, когдаэлектроны локализованы на примесях и проводимость осуществляется путем прыжкового механизма, изложена в [184]. Магнитное поле сжимает волновые функции примесныхэлектронов в поперечном направлении, превращая их в простейшем случае из сферически симметричных в сигарообразные. При этом перекрытие хвостов волновых функцийсоседних примесей в среднем резко уменьшается, что приводит к экспоненциальному возрастанию сопротивления. С увеличением температуры электроны уходят с примесныхцентров и вышеописанный механизм магнитосопротивления перестает работать.Значительно больших значений магнитосопротивления можно достичь, если в полупроводнике в области рождения токовых каналов существует потенциальный барьер, навысоту которого оказывает влияние магнитное поле.
Область начала развития лавинногопроцесса очень чувствительна к величине потенциального барьера и к изменению электрического поля, которое вносит барьер. В [291,292] обнаружено, что наличие барьера, реализованного слоем SiO2 в месте начала образования лавинного процесса в гетероструктуреSi:B/SiO2 /Al, обладающей дырочной проводимостью, позволяет резко повысить величину магнитосопротивления.
Магнитосопротивление наблюдалось при низких температурахпри прыжковом механизме проводимости. MR с потенциальным барьером достигло 105 %при температуре 4 K. Выше 36 K происходило опустошение акцепторных уровней бора иэффект магнитосопротивления пропадал.Если высота барьера может изменяться магнитным полем, то малые изменения высотыбарьера будут приводить к большим изменениям тока, в результате чего можно достичьбольших величин магнитосопротивления не только при низких, но и при высоких темпе58Рис. 1.19: Каналы тока в образцах GaAs четырех разных геометрий в перпендикулярноммагнитном поле B: (a) и (b) параллельные полосовые контакты, B = 309 mT, I = 1.17,3.82 mA; (c) - (f) два точечных контакта, B = 216 mT, I = 0.26, 0.33, 2.15, 12.1 mA; (g)- (j) геометрия диска Корбино, B = 152 mT, I = 0.2, 1.1, 1.7, 3.3 mA; (k) - (n) геометриякольца, B = 237 mT, I = 0.7, 1.9, 4.4, 5.9 mA.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
